框架橋頂進既有線道岔區縱橫梁加固體系空間結構受力分析

楊 偉

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

隨著我國城市道路建設的快速發展，新建框架橋與鐵路立交工程不斷增加。為了不中斷鐵路運營，目前普遍采用頂進法下穿既有鐵路線。在頂進框架橋施工中，為確保列車運行及施工安全必須進行鐵路線路的加固。目前框架橋頂進施工通常采用的線路加固方法有D型便梁加固法和扣軌縱橫梁加固法。頂進施工按環境復雜程度可分為在普通線路頂進和在道岔區頂進兩種。在鐵路普通正線頂進框架橋采用縱橫梁加固法加固的工程應用已較多，技術已成熟，而道岔區由于岔區設備多，軌道變形敏感，縱橫梁加固方法應用在道岔區頂進施工還需要進行更精細的計算分析來保證施工安全。趙延波對應用在道岔區以橫梁為主要受力構件的縱橫梁加固法進行了檢算，分析了針對縱梁、橫梁和鋼軌的有限元模型最不利加載工況下縱橫梁的強度和剛度計算結果。章有德等利用縱抬橫梁法防護道岔區線路，對比分析了加固體系中不同縱梁、橫梁的型號的應力和位移及軌道的變形，指出道岔區鋼軌豎向位移為主要控制因素。王聰以北海路地道橋下穿站場咽喉區為依托，研究了3-5-3扣軌及縱橫工字鋼梁加固的布置方案。現有對框架橋頂進既有線道岔區加固方法的研究多集中在加固施工方案的設計層面，鮮有對道岔區線路加固體系進行詳細計算分析，然而由于岔區設備復雜且施工難度大，以往應用在普通正線鐵路相對成熟的縱橫梁加固體系需要進行理論受力分析以評價其安全性。

文章以某三孔框架橋下穿既有線道岔區為工程背景，建立了包含列車-鋼軌-扣軌-縱橫梁加固體系-框架橋結構-土體的空間有限元分析模型，考慮橫梁和縱梁支撐段沉降的影響，研究加固體系的力學性能，驗證加固體系的安全性。

1 工程概況

工點采用3～15 m三孔框架橋，橋位處既有鐵路9股道和6組12號單開道岔，從東往西鐵路名稱依次為京滬下行、石德上行、京滬上行、石德下行、6道～8道，4組道岔位于京滬、石德正線上，另外2組為站線道岔。線路加固采用由3-5-3扣軌和橫抬縱挑法布置的工字鋼縱橫梁以及路基防護樁、支撐樁、抗橫移樁組成的“縱橫梁加固體系”。沿線路兩側采用I45b工字鋼縱梁，一般位置處采用雙根一束I45b布置，在道岔處受限界影響無法布置縱梁導致縱梁橫向間距較大時，該部分縱梁采用三根一束I45b布置。橫梁采用I40b工字鋼，托既有軌枕底，橫梁間距按（1×0.6+1.2）m設置，橫梁一端置于支撐樁上，另一端至于框架橋頂面上，并用Φ22-U型螺栓與縱梁聯結一起，縱梁兩端置于枕木垛基礎上。

2 加固體系檢算

2.1 計算假定

（1）軌道路基及下部土體質地均勻，且呈水平層狀分布；（2）土體是連續的、各向同性的彈塑性材料；（3）考慮支撐橫梁的土體和框架橋的變形；（4）縱橫梁之間按剛性連接，橫梁與路基彈性連接，鋼軌與軌枕之間按彈性連接處理。

2.2 設計參數

①列車活載：采用ZKH荷載，計算考慮列車豎向活載動力作用；②列車速度：列車側向通過速度為30 km/h，正向通過速度為45 km/h；③地基系數取10000 kPa/m2。

2.3 安全評價指標

（1）橫梁撓度：按《鐵路工務安全規則》（鐵運[2006]177號）相關規定，橫梁撓度容許值為，應力容許值為170 MPa；（2）鋼軌撓度：按《普速鐵路線路修理規則》（鐵總工電[2019]34號）取Vmax≤80 km/h正線及到發線下10 m弦長限值9 mm（臨時修補）；（3）尖軌尖端與基本軌水平間隙：按《普速鐵路線路修理規則》（鐵總工電[2019]34號）相關規定取限值為1 mm。

2.4 計算模型

采用MIDAS/Civil 2020建立縱橫梁加固體系的空間有限元模型，如圖1所示。為了反映加固體系中橫梁支撐端的變形對計算結果的影響，引入支撐加固體系橫梁的支座，包括土體和頂橋。縱梁、橫梁、鋼軌及框架橋均采用梁單元模擬，各構件之間采用彈性連接，縱梁端部邊界按簡支處理。

圖1 縱橫梁加固體系空間有限元模型

2.5 工況分析

為了驗證列車荷載作用下道岔區縱橫梁加固體系的可靠性，考慮變化不同參數對兩種加固設計方案的橫梁撓度和強度、鋼軌變形、尖軌尖端與基本軌水平間隙進行分析。變換的參數包括：橫梁工字鋼的型號、橫梁的懸空跨度。模型工況設計如表1所示。ZKH荷載按車輪作用在基本軌跨中附近橫梁和尖軌跨中附近橫梁兩種位置加載，荷載組合工況如表2所示。

表1 計算模型工況

表2 荷載組合設計

2.6 結果分析

2.6.1 加固體系橫梁和鋼軌安全評價

分別提取了各工況關于橫梁撓度、強度、鋼軌撓度三個安全評價指標在設計荷載組合下的計算結果如表3所示。

表3 橫梁撓度、應力和鋼軌撓度計算結果

由表3可知，在主力+附加力作用下，不管是采用I40b還是I45b橫梁，隨著懸空跨度的增大，橫梁應力逐漸增大。橫梁應力最大值發生橫梁與土體相交處（挖與非挖交界面處）即剛度突變處，在懸空跨度為3 m時，I40b橫梁最大應力為159.2 MPa，小于容許應力170 MPa，安全系數1.07。

相同懸空跨度情況下，橫梁最大撓度均發生在直向過岔速度為45 km/h。隨著懸空跨度的增大，橫梁最大撓度也逐漸增大，但與容許撓度（L/400）相比，安全系數卻在逐漸增大。橫梁工字鋼型號采用I40b，考慮主力+附加力，最小安全系數為0.84，發生懸空跨度2 m直向過岔速度為45 km/h。僅考慮活載+附加力，最小安全系數為1.34，同樣發生懸空跨度2 m直向過岔速度為45 km/h。橫梁工字鋼型號采用I45b，考慮主力+附加力，最小安全系數為0.92，發生懸空跨度2 m直向過岔速度為45 km/h。僅考慮活載+附加力，最小安全系數為1.50，同樣發生懸空跨度2 m直向過岔速度為45 km/h。隨著懸空跨度的增大，鋼軌最大豎向位移也逐漸增大。

2.6.2 軌道不平順性計算結果

提取了工況2在荷載組合2作用下主股左右軌道的高低和軌向位移圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 主股左右軌道高低位移圖

圖3 主股左右軌道軌向位移圖

由圖2和圖3可知：

（1）由于橫梁與鋼軌、橫梁與縱梁等相連接部位橫向剛度大于其余部位，列車活載側向過岔時，鋼軌軌向（即橫向位移）不連續現象較為顯著，剛度越弱位移越大。通過分析，特別是列車活載軸重作用的位置（ZKH荷載圖示集中荷載作用下對應的橫梁）變化最為明顯。

（2）在考慮列車的制動力和搖擺力情況下，鋼軌軌向（即橫向位移）較小，這說明加固體系各構件的連接較為牢固可靠。尖軌與翼軌之間的水平相對位移也較小，最大不超過0.08 mm，小于1 mm的限值要求。

（3）在懸空跨度3 m下活載作用在框架橋15 m主股上引起軌道的豎向位移達到最大值為7.98 mm，但10 m弦長高低最大值為5.04 mm，軌向最大0.07 mm，水平最大值為1.62 mm，三者均小于《普速鐵路線路修理規則》（鐵總工電[2019]34號）中Vmax≤80 km/h正線及到發線下10 m弦長限值9 mm（臨時修補）。

3 結論

（1）經計算得知，橫梁應力最大值發生橫梁與土體相交處（挖與非挖交界面處）即剛度突變處，與按簡支梁體系檢算橫梁的應力最大位置明顯不同。提高橫梁工字鋼型號可以減小加固體系及鋼軌的受力和變形。橫梁懸空長度越大，最不利荷載工況下橫梁的撓度越大，框架橋下穿頂進道岔區應減小橫梁懸空長度，保證線路安全。

（2）框架橋頂進既有道岔區采用縱橫梁加固體系，經計算可知橫梁撓度和應力、縱梁和鋼軌的撓度能夠滿足安全評價指標。由于岔區線路加固施工難度較大，變形敏感，在線路加固方案具體設計時，應建立精細的有限元模型對縱橫梁加固體系進行詳細受力分析。

（3）根據道岔區軌道不平順計算結果可知，列車活載側向過岔時，鋼軌軌向不連續現象較為顯著，列車活載軸重作用處變化最為明顯。在岔區加固施工中，應對鋼軌變形進行實時監測，保證施工過程的軌道變形在要求范圍內。